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虛擬原型技術(shù)與機(jī)電一體化論文
虛擬原型技術(shù)與機(jī)電一體化論文【1】
摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)向生產(chǎn)力逐步轉(zhuǎn)化,機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已經(jīng)涉及到機(jī)械、電氣和控制等眾多領(lǐng)域。
單領(lǐng)域、分散建模的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難滿(mǎn)足產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)的要求。
通過(guò)對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)與虛擬原型技術(shù)的深入研究并且將虛擬原型技術(shù)引入到機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì),得到基于虛擬原型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù),以滿(mǎn)足機(jī)電產(chǎn)品多領(lǐng)域交互設(shè)計(jì)的需求。
關(guān)鍵詞 虛擬原型 機(jī)電一體化 技術(shù)
隨著全球經(jīng)濟(jì)的增速發(fā)展,制造行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,競(jìng)爭(zhēng)的核心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到以創(chuàng)新技術(shù)和高附加值為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。
作為制造行業(yè)的企業(yè),一方面為了企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展,提高產(chǎn)品在制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力,就必須解決其產(chǎn)品的“T(時(shí)間)”、“Q(產(chǎn)品質(zhì)量)”、“C(成本)”、“S(售后服務(wù))”、“E(環(huán)境)” 等難題。
另一方面,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)高新技術(shù)的快速發(fā)展,全球性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化方向發(fā)展,面對(duì)無(wú)法預(yù)測(cè)的市場(chǎng)需求以及用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化需求,企業(yè)就必須盡快改變品種,更新設(shè)計(jì),縮短新產(chǎn)品的研發(fā)的周期,提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量,降低產(chǎn)品的研發(fā)成本,進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),這樣才能夠應(yīng)對(duì)快速多變的市場(chǎng)需求以及用戶(hù)的需求,進(jìn)而使企業(yè)在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。
1虛擬原型技術(shù)的基本原理
虛擬原型技術(shù)是一種以CAX/DFX技術(shù)為基礎(chǔ)的并行設(shè)計(jì)思想,與傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)思想相比,最大的優(yōu)點(diǎn)在于它將多領(lǐng)域技術(shù)設(shè)計(jì)的不同功能的子系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來(lái),通過(guò)一定的關(guān)系形成一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。
從構(gòu)成上看,虛擬原型是由不同工具開(kāi)發(fā)的子模型組成的模型聯(lián)合體,主要包括:產(chǎn)品的CAD模型、外觀(guān)模型、功能和性能仿真模型以及電氣和控制模型等。
借助于這種技術(shù),工程師們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建立機(jī)械模型,利用各學(xué)科等領(lǐng)域的理論在虛擬工況環(huán)境下分析產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標(biāo),進(jìn)一步進(jìn)行可視化處理,并根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善和優(yōu)化。
通過(guò)虛擬原型技術(shù),設(shè)計(jì)人員可以在實(shí)物樣機(jī)制造出來(lái)之前,通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件在很大程度對(duì)產(chǎn)品的總體性能進(jìn)行了解,從而縮短研制時(shí)間,降低系統(tǒng)研制成本,提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
2虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展應(yīng)用
2.1虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)
雖然虛擬原型技術(shù)還處于發(fā)展的初期階段,還沒(méi)有形成一個(gè)完整的技術(shù)體系,但是一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。
主要包括系統(tǒng)總體技術(shù)、支撐環(huán)境技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、一體化建模和信息/過(guò)程管理技術(shù)等。
2.1.1系統(tǒng)總體技術(shù)
系統(tǒng)總體技術(shù)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全局出發(fā),規(guī)定和協(xié)調(diào)子系統(tǒng)的運(yùn)行和支持虛擬原型開(kāi)發(fā)的各部分之間的關(guān)系,使各個(gè)部分組成一個(gè)有機(jī)的整體,實(shí)現(xiàn)信息、資源的共享,最終完成總體的設(shè)計(jì)。
總體技術(shù)主要涉及規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、集成技術(shù)和方法以及系統(tǒng)的運(yùn)行模式等。
2.1.2支撐環(huán)境技術(shù)
虛擬原型支撐環(huán)境技術(shù)是一個(gè)支持并管理產(chǎn)品全生命周期虛擬化設(shè)計(jì)過(guò)程與性能評(píng)估的活動(dòng),支持分布異地的團(tuán)隊(duì)采用協(xié)同 CAX/DFX 技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)和實(shí)施虛擬樣機(jī)工程的集成應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)。
這種技術(shù)能提供相應(yīng)數(shù)據(jù)、模型、CAX/DFX 設(shè)計(jì)工具等,而且還能支持復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)活動(dòng)。
更重要的是這種技術(shù)還能支持虛擬原型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中組織、過(guò)程和技術(shù)三個(gè)重要組成部分的有機(jī)結(jié)合,并對(duì)虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)/模型以及項(xiàng)目進(jìn)行管理和優(yōu)化,支持不同工具,能夠?qū)⒉煌膽?yīng)用系統(tǒng)集成。
2.1.3虛擬原型技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用
虛擬原型技術(shù)是有多學(xué)科技術(shù)支撐的一門(mén)新興綜合性技術(shù),發(fā)展前景廣闊,市場(chǎng)巨大。
虛擬原型技術(shù)面對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員與用戶(hù)之間的相互聯(lián)系更加緊密,縮短研制的周期,降低技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn),提高產(chǎn)品的質(zhì)量,降低了產(chǎn)品的成本,增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
在國(guó)內(nèi),由于虛擬原型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),使設(shè)計(jì)人員對(duì)其越來(lái)越親睞,從各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究到開(kāi)發(fā)模式研究亦逐漸形成一定的規(guī)模。
這樣必將促進(jìn)這一先進(jìn)制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用,增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)能力,提高我國(guó)企業(yè)在世界制造業(yè)中的地位。
虛擬原型技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用涉及到汽車(chē)制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢(xún)等眾多領(lǐng)域。
3虛擬原型技術(shù)與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)
虛擬原型技術(shù)是一種以先進(jìn)建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶(hù)界面技術(shù)等為基礎(chǔ)的嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方法,與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想和方法比較具有很多的優(yōu)點(diǎn)。
可以推想,將虛擬原型技術(shù)融入到機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中將會(huì)使機(jī)電一體化技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展,也將會(huì)產(chǎn)生一種先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。
所以,對(duì)于兩者之間的關(guān)系我們可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析和認(rèn)識(shí):
(1)從產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的思想來(lái)看,傳統(tǒng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通常是相對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)范化的串行開(kāi)發(fā)過(guò)程,這種設(shè)計(jì)思想雖然是復(fù)雜的開(kāi)發(fā)活動(dòng)變得可理解、可管理,但是它沒(méi)有考慮到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)之間的并行關(guān)系,導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),開(kāi)發(fā)成本高。
前期的環(huán)節(jié)對(duì)后期的環(huán)節(jié)考慮少,導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工次數(shù)很高,更重要的是沒(méi)有充分估計(jì)產(chǎn)品的可制造性,很難在早期發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題,尤其是對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
(2)從今后產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的范疇,虛擬原型技術(shù)必然可以應(yīng)用到機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)之中。
機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基于多領(lǐng)域技術(shù)(計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等)融合、交互,數(shù)字化、虛擬化也是今后發(fā)展的趨勢(shì)。
4本章小結(jié)
本章討論了虛擬原型技術(shù)的基本原理、組成部分、關(guān)鍵技術(shù)以及今后的發(fā)展,最后從產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想、虛擬原型技術(shù)與機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)系以及今后產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)分析了機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)論文【2】
引言:隨著科技的發(fā)展,機(jī)電一體化產(chǎn)品已經(jīng)涉及到了機(jī)械、電氣、控制等領(lǐng)域,單功能、獨(dú)立領(lǐng)域的設(shè)計(jì),已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求,所以將機(jī)電一體化產(chǎn)品基于虛擬原型進(jìn)行設(shè)計(jì),是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。
機(jī)電一體化又被稱(chēng)做機(jī)械電子工程,是機(jī)械工程與自動(dòng)化的結(jié)合產(chǎn)品。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)電一體化被人們廣泛接受,并普遍應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展期。
一、對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化建模技術(shù)研究
虛擬原型的機(jī)電一體化建模過(guò)程是以“機(jī)械-控制”為基礎(chǔ)框架,在綜合環(huán)境影響下,進(jìn)行機(jī)械建模,電氣建模,以及控制建模。常用的建模與仿真軟件如SolidWorks,它是世界上第一個(gè)基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的CAD軟件。
(一)機(jī)械建模
機(jī)械建模是對(duì)基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械部分進(jìn)行模型構(gòu)建的過(guò)程,即利用SolidWorks 軟件對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械部件進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、裝備設(shè)計(jì)、干涉檢查等內(nèi)容。
、倭慵O(shè)計(jì)
零件設(shè)計(jì)是指利用SolidWorks 軟件對(duì)產(chǎn)品所需要的機(jī)械零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。零件的三維造型是通過(guò)其特征來(lái)實(shí)行的,造型本身只是平面上的草圖。所謂的特征,就是零件的基本元素;而草圖,是零件的點(diǎn)、線(xiàn)、圓弧等幾何元素構(gòu)成的二維輪廓,是零件三維造型的基礎(chǔ)。
、谘b配設(shè)計(jì)
基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品的基礎(chǔ)元素是零件,一系列的零件構(gòu)成了一個(gè)具有完整功能的結(jié)構(gòu),一系列的功能結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)完整的產(chǎn)品。所以在機(jī)械建模中,完成了零件設(shè)計(jì)以后,需要利用SolidWorks 軟件對(duì)三維零件進(jìn)行裝配,使其成為一個(gè)完整的三維模型。
、鄹缮鏅z查
一個(gè)裝配成型的產(chǎn)品是極其復(fù)雜的,零件之間是否存在干涉問(wèn)題,是無(wú)法通過(guò)肉眼進(jìn)行檢查的,所以需要利用SolidWorks 軟件對(duì)三維模型進(jìn)行干涉檢查,包括體積干涉檢查、運(yùn)動(dòng)碰撞干涉檢查等。如果檢查結(jié)果存在干涉,則需要對(duì)模型進(jìn)行修正,直到檢查無(wú)干涉為止。
(二)電氣建模
電器建模是基于機(jī)械建模的基礎(chǔ),對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行電氣功能添加的過(guò)程。比如,可以利用SolidWorks 軟件將限位器、位置傳感器、電機(jī)、PCB電路板等電氣功能附加在功能結(jié)構(gòu)上,從而形成一個(gè)個(gè)具有電氣特征的功能部件,最終將機(jī)械模型轉(zhuǎn)化成機(jī)電一體化的三維模型。
(三)控制建模
控制建模是指利用SolidWorks 軟件的NI SoftMotion模塊設(shè)計(jì)控制程序,從而控制機(jī)械一體化模型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃等。
二、對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化仿真技術(shù)研究
對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化仿真技術(shù)研究,其主要目的是利用機(jī)械建模、電氣建模和控制建模等構(gòu)建的三維模型來(lái)進(jìn)行功能測(cè)試、原型修改、實(shí)體試制等。機(jī)電一體化產(chǎn)品的仿真技術(shù)包含機(jī)械特性仿真設(shè)計(jì)、電氣和控制仿真設(shè)計(jì)等方面。
(一)機(jī)械特性仿真設(shè)計(jì)
機(jī)械特性仿真設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面,即機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析等。
、贆C(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)
機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)是利用 SolidWorks的虛擬環(huán)境,在機(jī)械模型上添加一系列力學(xué)元素和運(yùn)動(dòng)元素,如摩擦力、電機(jī)等,之后在LabVIEW環(huán)境下仿真設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),對(duì)機(jī)械模型的運(yùn)動(dòng)性能,以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一確定。
、跈C(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)
機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)是利用SolidWorks的虛擬環(huán)境,對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì),從而進(jìn)行機(jī)械模型運(yùn)動(dòng)的仿真、機(jī)械模型碰撞的偵測(cè)、機(jī)械模型運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)等。
、蹤C(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析
機(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析是對(duì)機(jī)械模型的功能部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)分析,利用SolidWorks 軟件的 Simulation 插件提供的數(shù)據(jù)用來(lái)參考和支持,可以對(duì)材料的應(yīng)力需求、強(qiáng)度需求等因素進(jìn)行分析,從而確定需求材料的特性,以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、傳動(dòng)系選型等問(wèn)題,并將機(jī)械運(yùn)作的軌跡、速度和力矩等信息記錄下來(lái),來(lái)進(jìn)步一步優(yōu)化整個(gè)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。
(二)電氣和控制仿真設(shè)計(jì)
電氣和控制仿真設(shè)計(jì)包括電氣仿真設(shè)計(jì)和控制仿真設(shè)計(jì)兩方面,其中電氣仿真設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是:傳感器的設(shè)置和應(yīng)用、電機(jī)的設(shè)置和應(yīng)用;控制仿真設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是:時(shí)序邏輯控制、運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、傳動(dòng)與連接件運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)等。
在模型設(shè)計(jì)階段,首先要利用SolidWorks軟件進(jìn)行電氣仿真設(shè)計(jì),完成對(duì)傳感器和電機(jī)等電氣特征元件的設(shè)置和應(yīng)用,然后才能進(jìn)行后續(xù)控制仿真設(shè)計(jì),控制模型的時(shí)序邏輯,規(guī)劃模型的運(yùn)動(dòng)路徑等。
結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,首先要進(jìn)行模型構(gòu)建,依次進(jìn)行機(jī)械模型構(gòu)件、電氣模型構(gòu)建、控制模型構(gòu)建,最終形成完整的基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品的三維模型,并利用仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)行功能測(cè)試、原型修改、實(shí)體試制等。
參考文獻(xiàn)
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